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提升热处理制造技术与装备满足铁路机车牵引齿轮质量要求 |
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作者：樊玉福 秦兰祥 |
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自20世纪90年代开始，铁路系统的各院、所、厂开展了旨在促进我国铁路运输迅速发展，实现机车高速、重载和安全可靠运行的要求，在机车牵引齿轮的优化设计、选材及合理选择工艺等方面进行了大量的基础性研究和应用试验，并取得了长足的进展。特别是铁路运输跨越式发展总体思路的实施，在机车车辆方面引进了国际上先进的机车和制造技术。南口轨道交通机械有限责任公司作为机车牵引齿轮的专业生产厂，近年来承接了DF7G内燃机车，SS7C、SS7E/D电力机车，HXD2、HXD3引进电力机车牵引主、从动齿轮的制造任务。
在齿轮制造的全过程中，材料热处理环节是关键的质量控制工程之一。在材料热处理质量检验上，采用了国际先进的ISO6336－5:2003等标准；在热处理装备上，采用了当前国内较先进的设备和控制技术，从而保证了齿轮热处理工艺水平的迅速提高，如渗碳淬火齿轮畸变控制、齿轮表面含碳量与齿面金相组织的控制、热处理工艺参数合理选择等。
一、装备的进步提高了工艺水平
为了适应机车牵引齿轮（从动齿轮）由中碳结构钢调质+表面淬火，向低碳合金结构钢渗碳淬硬工艺方式的转变，我公司自2004年开始进行技术改造，购置了易普森工业炉（上海）有限公司的TQF－25－ERM型多用炉生产线（见图1）、爱协林工业炉（北京）有限公司的VBES200/200井式可控气氛炉生产线（见图2）先后投入使用。由此我公司牵引齿轮的热处理生产制造技术跨入了一个新的发展平台。
VBES200/200井式炉生产线
TQF-25-ERM多用炉生产线
1. 多用炉控制系统的主要工作方式
易普森多用炉采用超级渗碳(直生式气氛)控制方式。所谓超级渗碳即富化气C3H8和空气在炉外混合后直接通入炉子加热室内，富化气为常量，空气为变量。该方式与氮甲醇+富化气和吸热式可控气氛比较，具有结构简单、运行成本低的特点。其实现控制方式为：上位机的CARB-O-PROF软件通过对一氧化碳气体分析仪检测到的数据和通过碳控表、温控表，从氧探头、热电偶检测数据，与设定参数比较，再通过碳控表、温控表对执行部件：空气电动阀、调功器进行反馈控制，进而实现对炉内碳势和温度的精确控制。有效区碳势均匀性为±0.05%（9点检测），有效工作区温度均匀性为≤±5℃（9点检测）；同时上位机具有工艺有效渗碳层浓度梯度的模拟演示功能，具有在线有效渗碳层深度实时模拟演示功能，以及故障自诊断功能。该上位机可同时计算控制4台多用炉。
2. 井式可控气氛炉控制系统的主要工作方式
爱协林井式可控气氛炉采用氮甲醇+富化气控制方式。该方式是把氮气和甲醇（液态）作为常量，按一定比例1.1∶1×10－3（m3）通入炉内作为可控气氛的载气使用，C3H8和空气为变量。其实现控制的方式为，DE－VX4110（demig）过程控制系统自身，通过氧探头、一氧化碳气体分析仪、主控热电偶采集信号，与设定参数进行比较后，通过C3H8比例阀和空气比例阀调节，实现对碳势的精确控制；通过主温控表控制的分区温控表对调功器实现控制，进而实现对炉温的精确控制。有效区碳势均匀性为±0.05%（9点检测），有效工作区温度均匀性为≤±5℃（9点检测）。同时DE－VX4110过程控制系统具有工艺渗碳层深度和在线渗碳层模拟演示功能，以及故障自诊断功能。为更加便于人机对话可配置上位机，实现多台DE－VX4110的联网监控。
3．齿轮硬化表面金相可控性的提高
随着装备水平的提高，以及对齿轮使用性能与热处理质量内在关系认识的不断提高，使不同结构的齿轮，不同工艺方案的工艺参数定量化控制成为可能。如齿轮表面含碳量的控制、浓度梯度的控制、碳化物形状和分布形态的控制， 以及表面和心部金相组织级别的控制等，都是通过装备支持下的不同工艺来完成的。
例如，牵引齿轮轮齿表面含碳量、碳化物的级别要求，应符合ISO6336－5:2003标准（以下简称标准）中规定ME级齿轮的规定，见标准第29页10.1和10.4，其中表面含碳量规范为:合金结构钢的总合金含量（质量分数）>1.5%时，表面含碳量为0.65%〜0.90%；碳化物为：允许弥散状碳化物，见标准第31页图20c。标准中还规定了如至表面硬度降、残余奥氏体数量及分布、表面非马氏体深度等指标，这些物理指标的规范和控制，将对提高齿轮的耐磨性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度等发挥有益的作用。
二、齿轮畸变的影响因素与控制
在内燃、电力机车的牵引齿轮中，以圆柱类齿轮（齿圈）为例，影响齿轮在渗碳淬硬过程中产生畸变的原因，一般有如下几种因素：材料的淬透性、预处理的组织及均匀性；齿轮的结构和几何尺寸的大小、齿轮的装料方式、渗碳淬火加热和冷却设备及介质等。因此，预防和减小畸变，就要综合考虑以上因素，合理设计工艺方案，使用和发挥好设备的潜在功能。一种齿轮材质为15CrNi6，其有效硬化层深2〜2.4mm，齿面硬度59〜61HRC，心部硬度35〜42HBW。一种齿轮材质为17CrNiMo6，其有效硬化层深≥1.4mm，齿面硬度60〜64HRC，非硬化表面硬度330〜450HBW。
1．圆柱类齿轮（齿圈）畸变的形式
圆柱类齿轮（齿圈）在渗碳淬硬过程中，由于加热和冷却的影响伴随着热应力和组织应力的产生，是导致齿轮畸变的基础条件。具体到单个齿轮来说，由于受加热和冷却条件以及自身结构的影响，在齿轮的各个部位上加热和冷却不均匀性的存在，产生由于热应力和组织应力引发的畸变是不可避免的。一般来讲，该类齿轮在渗碳淬火过程中发生畸变是复合型的，其主要畸变形式有锥度、椭圆和翘曲。根据齿轮规格大小和结构的不同畸变形式会有所侧重，直径越大畸变的幅度越大。上述三种畸变形式都会引起公法线畸变，给齿面的磨削加工带来不利的影响。因此，预防和减小畸变的产生是渗碳淬火热处理工艺过程不可回避的实际问题。
2．圆柱齿轮畸变的预防和控制措施
（1）齿轮毛坯组织的均匀性是影响渗碳淬硬过程中畸变的重要因素，因此齿轮毛坯锻造要控制锻造比5～6、始锻温度及终锻温度等，再通过预处理正火或调质进一步改善组织，使奥氏体晶粒度尽量均匀不粗大，例如混晶应小于2级，给渗碳淬火做好组织上的准备。
（2）渗碳淬火加热时装炉温度不宜太高，并增加必要的预热阶段，尽量使齿轮均匀地加热至工艺温度，减小齿轮各部位因温差过大而引起的畸变。
（3）渗碳后的缓冷（有些齿轮采用二次加热淬火的工艺）是在井式缓冷罐中进行，缓冷罐为水冷壁，并通过变频搅拌循环风扇调整缓冷速度，在防止二次碳化物沿晶界析出的前提下，冷速尽量放慢，以减少畸变。
（4）淬火冷却条件，除对淬火油的品种合理选择外，淬火油槽应设计制造成圆筒状井式结构，并且油搅拌器（最好使用变频调速电机）在油槽圆周上均匀分布，使淬火油搅拌均匀且具有合适的烈度，在满足齿轮材料临界冷却速度的同时，减少齿轮的畸变。
（5）加热和冷却设备结构形状的影响。直径在f600mm以上的圆柱齿轮（齿圈）应尽量选择在井式炉中加热和圆筒状油槽中冷却，使其沿圆周方向加热冷却均匀，有利于减少畸变。
（6）圆柱齿轮（齿圈）装炉方式。装炉方式直接受齿轮结构形状的影响，除要考虑上述的诸多因素外，批量生产时还要考虑料具承载平面的平整度，防止齿轮因此而产生的高温变形。
3． 齿轮渗碳淬火畸变控制的效果
通过对以上措施的综合分析、试验和验证，在齿轮渗碳淬火过程中的应用，使齿轮的畸变幅度得到了不同程度的控制。
三、 结语
3年来，通过10余种不同形状、规格的齿轮批量生产的验证，我们在渗碳淬火齿轮畸变的预防和控制上取得了初步进展。但是预防和控制齿轮渗碳淬火畸变，是齿轮设计制造全过程的系统工程，如合理的选材、齿轮渗碳淬火理化技术指标的设计选定，都会对齿轮热处理过程中的畸变产生重要影响；从材料合金成分波动对畸变影响，提出了窄淬透性带材料的应用等，需要通过从业者不断的共同努力来解决。相信，随着科研、生产制造技术和热处理装备技术的不断发展进步，这些问题会逐步得到解决。(end)
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(5/25/2008) |
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